一种双螺杆真空泵的锥形螺杆转子
技术领域
本实用新型涉及双螺杆真空泵，特别涉及适用于一种双螺杆真空泵的锥形螺杆转子。
背景技术
双螺杆真空泵是一种回转容积式真空泵，由一对相互啮合的螺杆转子在泵腔内做同步异向双回转运动实现工作腔容积的周期性变化，完成气体的吸入、压缩和排出过程，在泵的进口处形成真空；双螺杆真空泵具有干式无油、运行平稳、易损件少、振动和噪音小的优点，被广泛应用于航空、电子、石化和核工业领域。
真空泵在工作过程中产生较大的压缩比，需要相互啮合的两螺杆转子具有较大的内容积比，内容积比就是两螺杆转子在啮合过程中所形成的最大封闭容积和最小封闭容积之比。现有螺杆转子是由螺杆转子的轴向截面型线沿轴向圆柱螺旋线展开生成的，螺杆转子分为等螺距和变螺距螺杆转子，变螺距螺杆转子因其内容积比大于1，更有利于提高双螺杆真空泵的抽速和极限真空度。中国专利(公开号CN105422448A)公开了一种变齿宽变螺距的螺杆转子,螺杆转子有较大的吸气容积和内容积比，但平行轴结构对对内容积比的增大效果有限。中国专利(授权公告号CN205805908U)公开了一种锥形螺杆转子及其双螺杆真空泵，使用三段式锥形双螺杆结构，增大了吸气容积和内容积比，但对性能的提升效果有限，且不易保证双螺杆转子与泵腔之间的密封效果。中国专利(专利号CN 104141606A)提出了一种锥形双螺杆压缩泵，采用5： 3传动的阴、阳锥形螺杆，理论上有较高的压缩系数，但两平面截面在交叉轴啮合情况下的接触线只能存在一条直线，多头平面型线在交叉轴啮合情况下会出现不完全啮合或不啮合，不能保证两螺杆之间的密封性能。
实用新型内容
本实用新型为了最大限度地提高双螺杆真空泵的两螺杆转子所形成的内容积比，进而提高双螺杆真空泵的极限真空度，并提高双螺杆真空泵的抽气量，本实用新型提出一种双螺杆真空泵的锥形螺杆转子。本实用新型采用球截面实现左右锥形转子的交叉轴正确啮合，两转子由吸气端到排气端的节圆、齿顶圆、齿底圆半径均线性减小；在相同当量尺寸下，在吸气端有较大的容积，在相同转速情况下提高了双螺杆真空泵的抽气速度；在排气端有较短的接触线，保证了双螺杆真空泵的真空度。本实用新型采用变螺距螺旋线，使双螺杆真空泵从低压端到高压端的压力分布均匀，减小了工作容积之间的压力差，减少了双螺杆真空泵的内部泄漏，对提高双螺杆真空泵的综合性能具有重要意义。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种双螺杆真空泵的锥形螺杆转子，包括：左锥形螺杆转子、右锥形螺杆转子，左锥形螺杆转子和右锥形螺杆转子均由从低压端到高压端呈线性锥形，即左锥形螺杆转子和右锥形螺杆转子的节圆半径、齿顶半径和齿底半径均线性减小；
在工作啮合状态下，左锥形螺杆转子的旋转轴OP和右锥形螺杆转子的旋转轴OQ相交于一点，其交点为O，两旋转轴的夹角为∠POQ＝θ，其取值范围为0°<θ<90°；
左锥形螺杆转子和右锥形螺杆转子在高压端处的端面为一内凹球面，其半径为Ro；左锥形螺杆转子和右锥形螺杆转子在高压端处的节圆半径为ro，且满足
左锥形螺杆转子和右锥形螺杆转子在低压端处的端面为一外凸球面，其半径为Ri；左锥形螺杆转子和右锥形螺杆转子在低压端处的节圆半径为ri，且满足
以左锥形螺杆转子的旋转轴OP和右锥形螺杆转子的旋转轴OQ的交点O为球心，半径为R(Ro<R<Ri)做球面，该球面与左锥形螺杆转子的交截面为左球截面，左球截面的轮廓型线由4条球面曲线和一个点组成，按顺时针方向依次为：左球面齿顶圆弧AB、左球面渐开线BC、左球面齿根圆弧CD、左球面摆线DA和左齿顶点A；
左球截面的轮廓型线方程如下：
以交点O为坐标原点建立三维直角坐标系XYZ，左锥形螺杆转子(1)旋转轴OP为Z轴；左球面齿顶圆弧AB的参数方程为：
其中，
左球面渐开线BC的参数方程为：
其中，
左球面齿根圆弧CD的参数方程为：
其中，
左球面摆线DA的参数方程为：
其中，
以左锥形螺杆转子的旋转轴OP和右锥形螺杆转子的旋转轴OQ的交点O为球心，半径为R(Ro<R<Ri)做球面，该球面与右锥形螺杆转子的交截面为右球截面，右球截面的轮廓型线由4条曲线和一个点组成，按顺时针方向依次为：右球面齿顶圆弧ab、右球面渐开线bc、右球面齿根圆弧cd、右球面摆线da和右齿顶点a；
右球截面和左球截面形状完全相同。
左锥形螺杆转子由4个齿面组成，依次为：左锥形齿顶面、左锥形斜齿面、左锥形齿根面和左锥形凹齿面，这些齿面依次由螺杆转子端面型线中的左球面齿顶圆弧AB、左球面渐开线 BC、左球面齿根圆弧CD和左球面摆线DA放样生成；右锥形螺杆转子由4个齿面组成，依次为：右锥形齿顶面、右锥形斜齿面、右锥形齿根面和右锥形凹齿面，这些齿面依次由螺杆转子端面型线中的右球面齿顶圆弧ab、右球面渐开线bc、右球面齿根圆弧cd和右球面摆线da放样生成；
在工作中左锥形螺杆转子的左锥形齿顶面、左锥形斜齿面、左锥形齿根面和左锥形凹齿面，分别与右锥形螺杆转子的右锥形齿顶面、右锥形斜齿面、右锥形齿根面和右锥形凹齿面能够实现正确的啮合。
左锥形螺杆转子的任意左球截面的轮廓型线上的左齿顶点A所组成的曲线为左变螺距螺旋线L1，左变螺距螺旋线L1由左发生圆CL顺时针螺旋展开生成，左发生圆CL的半径由低压端到高压端线性减小，即满足方程：
式中：τ1—左螺旋展开角，rad；R0—高压端面螺旋线发生圆半径，mm；rL—螺旋线半径缩短速率系数；
左变螺距螺旋线L1的螺距PL由低压端到高压端是连续变小的；
右锥形螺杆转子的任意右球截面的轮廓型线上的右齿顶点a所组成的曲线为右变螺距螺旋线L2，右变螺距螺旋线L2由右发生圆CR逆时针螺旋展开生成，右发生圆CR的半径由低压端到高压端线性减小，且半径大小与左发生圆CL的半径保持一致；
右变螺距螺旋线L2的螺距PR由低压端到高压端是连续变小的，且与左变螺距螺旋线L1的螺距PL保持一致。
泵体内的泵腔能够容纳交叉轴式螺杆；泵体进气口I设置在所述泵腔靠近低压端处；泵体排气口P设置在所述泵腔靠近高压端处；
泵体由左转子泵腔和右转子泵腔组成；左转子泵腔的中心轴OM和右转子泵腔的中心轴 ON相交于点O，中心轴OM和中心轴ON的夹角大小∠MON＝θ；
左转子泵腔和右转子泵腔呈线性锥形；从低压端到高压端，左转子泵腔和右转子泵腔的壁面半径线性减小；
左转子泵腔和右转子泵腔在低压端于同一球面Q1，球面Q1的半径为R1，左转子泵腔和右转子泵腔在低压端处的泵腔径向半径为r2，且满足关系：
左转子泵腔和右转子泵腔在高压端于同一球面Q2，球面Q2半径为R1，左转子泵腔和右转子泵腔在高压端处的泵腔径向半径为r2，且满足关系：
在工作过程中，左锥形螺杆转子和右锥形螺杆转子由一对非正交齿轮：左传动齿轮和右传动齿轮驱动，两非正交齿轮旋转轴夹角大小为θ；在装配状态下，左锥形螺杆转子的旋转轴OP 和左传动齿轮的旋转轴重合，右锥形螺杆转子的旋转轴OQ和右传动齿轮的旋转轴重合。
本实用新型的有益效果为：
①螺杆转子上齿顶圆弧半径R1和齿底圆弧半径R3均逐渐减小，从螺杆转子的低压端(Ⅱ-Ⅱ)到高压端(Ⅰ-Ⅰ)，螺杆转子螺距的螺距逐渐减小，减小了排气端的工作腔容积，具有较大的内容比、压缩比，有利于提高真空泵的极限真空度；
②从低压端(Ⅱ-Ⅱ)到高压端(Ⅰ-Ⅰ)，螺杆转子空间接触线长度逐渐缩短，有效减少螺杆转子的级间泄漏；
③该螺杆转子轴向尺寸短，结构紧凑；
④螺杆转子所受的气体轴向力小。
附图说明
图1为两螺杆转子啮合图。
图2为左锥形螺杆转子(1)三维图。
图3为右锥形螺杆转子(2)三维图。
图4为两螺杆转子球截面啮合时刻图。
图5为左锥形螺杆转子(1)组成曲面图。
图6为右锥形螺杆转子(2)组成曲面图。
图7为双螺杆真空泵泵体结构图。
图8为双螺杆真空泵装配图。
图中：1—左锥形螺杆转子；2—右锥形螺杆转子；O—两螺杆旋转轴交点；θ—两螺杆旋转轴夹角；Ro—左锥形螺杆转子(1)和右锥形螺杆转子(2)在高压端(Ⅰ-Ⅰ)处内凹球端面半径；ro—左锥形螺杆转子(1)和右锥形螺杆转子(2)在高压端(Ⅰ-Ⅰ)处的节圆半径；Ri—左锥形螺杆转子(1)和右锥形螺杆转子(2)在低压端(Ⅱ-Ⅱ)处的外凸球端面半径；ri—左锥形螺杆转子(1)和右锥形螺杆转子(2)在低压端(Ⅱ-Ⅱ)处的节圆半径。R—以O为球心的球面的半径，Ro<R<Ri。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，为两螺杆转子啮合图，包括：左锥形螺杆转子1、右锥形螺杆转子2，左锥形螺杆转子1和右锥形螺杆转子2均由从低压端Ⅱ-Ⅱ到高压端Ⅰ-Ⅰ呈线性锥形，即左锥形螺杆转子1和右锥形螺杆转子2的节圆半径、齿顶半径和齿底半径均线性减小；
在工作啮合状态下，左锥形螺杆转子1的旋转轴OP和右锥形螺杆转子2的旋转轴OQ相交于一点，其交点为O，两旋转轴的夹角为∠POQ＝θ，其取值范围为0°<θ<90°；
如图2所示，为左锥形螺杆转子1三维图，左锥形螺杆转子1在高压端Ⅰ-Ⅰ处的端面为一内凹球面，其半径为Ro；左锥形螺杆转子1在高压端Ⅰ-Ⅰ处的节圆半径为ro，且满足
如图3所示，为右锥形螺杆转子2三维图，右锥形螺杆转子2在高压端Ⅰ-Ⅰ处的端面为一内凹球面，其半径为Ro；右锥形螺杆转子2在高压端Ⅰ-Ⅰ处的节圆半径为ro，且满足
如图4所示，为两螺杆转子球截面啮合时刻图，以左锥形螺杆转子1的旋转轴OP和右锥形螺杆转子2的旋转轴OQ的交点O为球心，半径为R(Ro<R<Ri)做球面，该球面与左锥形螺杆转子1的交截面为左球截面101，左球截面101的轮廓型线由4条球面曲线和一个点组成，按顺时针方向依次为：左球面齿顶圆弧AB、左球面渐开线BC、左球面齿根圆弧CD、左球面摆线DA和左齿顶点A；
左球截面101的轮廓型线方程如下：
以交点O为坐标原点建立三维直角坐标系XYZ，左锥形螺杆转子1旋转轴OP为Z轴；左球面齿顶圆弧AB的参数方程为：
其中，
左球面渐开线BC的参数方程为：
其中，
左球面齿根圆弧CD的参数方程为：
其中，
左球面摆线DA的参数方程为：
其中，
以左锥形螺杆转子1的旋转轴OP和右锥形螺杆转子2的旋转轴OQ的交点O为球心，半径为R(Ro<R<Ri)做球面，该球面与右锥形螺杆转子2的交截面为右球截面201，右球截面201的轮廓型线由4条曲线和一个点组成，按顺时针方向依次为：右球面齿顶圆弧ab、右球面渐开线bc、右球面齿根圆弧cd、右球面摆线da和右齿顶点a；
右球截面201和左球截面101形状完全相同。
如图5所示，为左锥形螺杆转子1组成曲面图。左锥形螺杆转子1由4个齿面组成，依次为：左锥形齿顶面11、左锥形斜齿面12、左锥形齿根面13和左锥形凹齿面14，这些齿面依次由螺杆转子端面型线中的左球面齿顶圆弧AB、左球面渐开线BC、左球面齿根圆弧CD和左球面摆线DA放样生成；
如图6所示，为右锥形螺杆转子2组成曲面图。右锥形螺杆转子2由4个齿面组成，依次为：右锥形齿顶面21、右锥形斜齿面22、右锥形齿根面23和右锥形凹齿面24，这些齿面依次由螺杆转子端面型线中的右球面齿顶圆弧ab、右球面渐开线bc、右球面齿根圆弧cd和右球面摆线da放样生成；
在工作中左锥形螺杆转子1的左锥形齿顶面11、左锥形斜齿面12、左锥形齿根面13和左锥形凹齿面14，分别与右锥形螺杆转子2的右锥形齿顶面21、右锥形斜齿面22、右锥形齿根面23和右锥形凹齿面24能够实现正确的啮合。
左锥形螺杆转子1的任意左球截面101的轮廓型线上的左齿顶点A所组成的曲线为左变螺距螺旋线L1，左变螺距螺旋线L1由左发生圆CL顺时针螺旋展开生成，左发生圆CL的半径由低压端Ⅱ-Ⅱ到高压端Ⅰ-Ⅰ线性减小，即满足方程：
式中：τ1—左螺旋展开角，rad；R0—高压端面螺旋线发生圆半径，mm；rL—螺旋线半径缩短速率系数；
左变螺距螺旋线L1的螺距PL由低压端Ⅱ-Ⅱ到高压端Ⅰ-Ⅰ是连续变小的；
右锥形螺杆转子2的任意右球截面201的轮廓型线上的右齿顶点a所组成的曲线为右变螺距螺旋线L2，右变螺距螺旋线L2由右发生圆CR逆时针螺旋展开生成，右发生圆CR的半径由低压端Ⅱ-Ⅱ到高压端Ⅰ-Ⅰ线性减小，且半径大小与左发生圆CL的半径保持一致；
右变螺距螺旋线L2的螺距PR由低压端Ⅱ-Ⅱ到高压端Ⅰ-Ⅰ是连续变小的，且与左变螺距螺旋线L1的螺距PL保持一致；
如图7所示，为双螺杆真空泵泵体结构图，泵体内的泵腔能够容纳交叉轴式螺杆；泵体进气口I设置在所述泵腔靠近低压端Ⅱ-Ⅱ处；泵体3排气口P设置在所述泵腔靠近高压端Ⅰ-Ⅰ处；
泵体3由左转子泵腔301和右转子泵腔302组成；左转子泵腔301的中心轴OM和右转子泵腔302的中心轴ON相交于点O，中心轴OM和中心轴ON的夹角大小∠MON＝θ；
左转子泵腔301和右转子泵腔302呈线性锥形；从低压端Ⅱ-Ⅱ到高压端Ⅰ-Ⅰ，左转子泵腔301和右转子泵腔302的壁面半径线性减小；
左转子泵腔301和右转子泵腔302在低压端Ⅱ-Ⅱ于同一球面Q1，球面Q1的半径为R1，左转子泵腔301和右转子泵腔302在低压端Ⅱ-Ⅱ处的泵腔径向半径为r2，且满足关系：
左转子泵腔301和右转子泵腔302在高压端Ⅰ-Ⅰ于同一球面Q2，球面Q2半径为R1，左转子泵腔301和右转子泵腔302在高压端Ⅰ-Ⅰ处的泵腔径向半径为r2，且满足关系：
如图8所示，为双螺杆真空泵装配图，在工作过程中，左锥形螺杆转子1和右锥形螺杆转子2由一对非正交齿轮：左传动齿轮4和右传动齿轮5驱动，两非正交齿轮旋转轴夹角大小为θ；在装配状态下，左锥形螺杆转子1的旋转轴OP和左传动齿轮4的旋转轴重合，右锥形螺杆转子2的旋转轴OQ和右传动齿轮5的旋转轴重合。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
